系统资源：进程间通讯方式

每个进程各自有不同的用户地址空间，任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程之间要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）

1.管道/匿名管道

• 管道是半双工的，数据只能向一个方向流动；需要双方通信时，需要建立起两个管道。
• 由于没有名字，无法定位对端信息。只能用于父子进程或者兄弟进程之间(具有亲缘关系的进程);
• 单独构成一种独立的文件系统：管道对于管道两端的进程而言，就是一个文件，但它不是普通的文件，它不属于某种文件系统，而是自立门户，单独构成一种文件系统，并且只存在与内存中。
• 数据的读出和写入：一个进程向管道中写的内容被管道另一端的进程读出。写入的内容每次都添加在管道缓冲区的末尾，并且每次都是从缓冲区的头部读出数据。

管道的实质：

管道的实质是一个内核缓冲区，进程以先进先出的方式从缓冲区存取数据，管道一端的进程顺序的将数据写入缓冲区，另一端的进程则顺序的读出数据。

该缓冲区可以看做是一个循环队列，读和写的位置都是自动增长的，不能随意改变，一个数据只能被读一次，读出来以后在缓冲区就不复存在了。

当缓冲区读空或者写满时，有一定的规则控制相应的读进程或者写进程进入等待队列，当空的缓冲区有新数据写入或者满的缓冲区有数据读出来时，就唤醒等待队列中的进程继续读写。

只有管道的读端存在时，向管道中写入数据才有意义。否则，向管道中写入数据的进程将收到内核传来的SIGPIPE信号，应用程序可以处理该信号，也可以忽略(默认动作则是使应用程序终止)。

管道的局限：

管道的主要局限性正体现在它的特点上：

• 只支持单向数据流；
• 只能用于具有亲缘关系的进程之间；
• 没有名字；
• 管道的缓冲区是有限的（管道制存在于内存中，在管道创建时，为缓冲区分配一个页面大小）；
• 管道所传送的是无格式字节流，这就要求管道的读出方和写入方必须事先约定好数据的格式，比如多少字节算作一个消息（或命令、或记录）等等；

 

2.有名管道

匿名管道，由于没有名字，只能用于亲缘关系的进程间通信。为了克服这个缺点，提出了有名管道(FIFO)。

有名管道不同于匿名管道之处在于它提供了一个路径名与之关联，以有名管道的文件形式存在于文件系统中，这样，即使与有名管道的创建进程不存在亲缘关系的进程，只要可以访问该路径，就能够彼此通过有名管道相互通信，因此，通过有名管道不相关的进程也能交换数据。值的注意的是，有名管道严格遵循先进先出(first in first out),对匿名管道及有名管道的读总是从开始处返回数据，对它们的写则把数据添加到末尾。它们不支持诸如lseek()等文件定位操作。有名管道的名字存在于文件系统中，内容存放在内存中。

匿名管道和有名管道总结：

（1）管道是特殊类型的文件，在满足先入先出的原则条件下可以进行读写，但不能进行定位读写。

（2）匿名管道是单向的，只能在有亲缘关系的进程间通信；有名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。

（3）无名管道阻塞问题：无名管道无需显示打开，创建时直接返回文件描述符，在读写时需要确定对方的存在，否则将退出。如果当前进程向无名管道的一端写数据，必须确定另一端有某一进程。如果写入无名管道的数据超过其最大值，写操作将阻塞，如果管道中没有数据，读操作将阻塞，如果管道发现另一端断开，将自动退出。

（4）有名管道阻塞问题：有名管道在打开时需要确实对方的存在，否则将阻塞。即以读方式打开某管道，在此之前必须一个进程以写方式打开管道，否则阻塞。此外，可以以读写（O_RDWR）模式打开有名管道，即当前进程读，当前进程写，不会阻塞。

 

3.信号

• 信号是Linux系统中用于进程间互相通信或者操作的一种机制，信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。
• 如果该进程当前并未处于执行状态，则该信号就由内核保存起来，直到该进程回复执行并传递给它为止。
• 如果一个信号被进程设置为阻塞，则该信号的传递被延迟，直到其阻塞被取消时才被传递给进程。

Linux系统中常用信号：

（1）SIGHUP：用户从终端注销，所有已启动进程都将收到该进程。系统缺省状态下对该信号的处理是终止进程。

（2）SIGINT：程序终止信号。程序运行过程中，按Ctrl+C键将产生该信号。

（3）SIGQUIT：程序退出信号。程序运行过程中，按Ctrl+\\键将产生该信号。

（4）SIGBUS和SIGSEGV：进程访问非法地址。也是App crash 时遇到的最多的问题

（5）SIGFPE：运算中出现致命错误，如除零操作、数据溢出等。

（6）SIGKILL：用户终止进程执行信号。shell下执行kill -9发送该信号。

（7）SIGTERM：结束进程信号。shell下执行kill 进程pid发送该信号。

（8）SIGALRM：定时器信号。

（9）SIGCLD：子进程退出信号。如果其父进程没有忽略该信号也没有处理该信号，则子进程退出后将形成僵尸进程。

信号来源

信号是软件层次上对中断机制的一种模拟，是一种异步通信方式，，信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互，内核可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些系统事件，信号事件主要有两个来源：

• 硬件来源：用户按键输入Ctrl+C退出、硬件异常如无效的存储访问等。
• 软件终止：终止进程信号、其他进程调用kill函数、软件异常产生信号。

信号生命周期和处理流程

（1）信号被某个进程产生，并设置此信号传递的对象（一般为对应进程的pid），然后传递给操作系统；

（2）操作系统根据接收进程的设置（是否阻塞）而选择性的发送给接收者，如果接收者阻塞该信号（且该信号是可以阻塞的），操作系统将暂时保留该信号，而不传递，直到该进程解除了对此信号的阻塞（如果对应进程已经退出，则丢弃此信号），如果对应进程没有阻塞，操作系统将传递此信号。

（3）目的进程接收到此信号后，将根据当前进程对此信号设置的预处理方式，暂时终止当前代码的执行，保护上下文（主要包括临时寄存器数据，当前程序位置以及当前CPU的状态）、转而执行中断服务程序，执行完成后在回复到中断的位置。当然，对于抢占式内核，在中断返回时还将引发新的调度。

4.消息队列

• 消息队列是存放在内核中的消息链表，每个消息队列由消息队列标识符表示。
• 与管道（无名管道：只存在于内存中的文件；命名管道：存在于实际的磁盘介质或者文件系统）不同的是消息队列存放在内核中，只有在内核重启(即，操作系统重启)或者显示地删除一个消息队列时，该消息队列才会被真正的删除。
• 另外与管道不同的是，消息队列在某个进程往一个队列写入消息之前，并不需要另外某个进程在该队列上等待消息的到达。

消息队列特点总结：

（1）消息队列是消息的链表,具有特定的格式,存放在内存中并由消息队列标识符标识.

（2）消息队列允许一个或多个进程向它写入与读取消息.

（3）如果a进程发送的数据占的内存比较大，并且进程之间通信比较频率，数据会造成频繁的数据拷贝，这个是非常耗时。

（4）消息队列可以实现消息的随机查询,消息不一定要以先进先出的次序读取,也可以按消息的类型读取.比FIFO更有优势。

（5）消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字 节流以及缓冲区大小受限等缺。

（6）目前主要有两种类型的消息队列：POSIX消息队列以及System V消息队列，系统V消息队列目前被大量使用。系统V消息队列是随内核持续的，只有在内核重起或者人工删除时，该消息队列才会被删除。当一个管道或FIFO的最后一次关闭发生时，仍在该管道或FIFO上的数据将被丢弃。

5.信号量

信号量是解决互斥共享资源的同步问题而引入的机制。任一时刻只允许一个进程访问该临界资源；信号量对应于一种资源，它的值就是指当前可用的资源数量。多个进程共享信号量，可通过执行两种原子操作，P 和 V对信号量执行加减操作。达到进程间通信的目的。

• P(sv)：如果sv的值大于零，就给它减1；如果它的值为零，就挂起该进程的执行。
• V(sv)：如果有其他进程因等待sv而被挂起，就让它恢复运行，如果没有进程因等待sv而挂起，就给它加1。

一旦其中一个进程执行了P(sv)操作，它将得到信号量，并可以进入临界区，使sv减1。而第二个进程将被阻止进入临界区，因为当它试图执行P(sv)时，sv为0，它会被挂起以等待第一个进程离开临界区域并执行V(sv)释放信号量，这时第二个进程就可以恢复执行。互斥锁的简单实现就是信号量

信号量与普通整型变量的区别：

（1）信号量是非负整型变量，除了初始化之外，它只能通过两个标准原子操作：wait(semap) , signal(semap) ; 来进行访问；而普通整型变量则可以在任何语句块中被访问；

（2）操作也被成为PV原语（P来源于荷兰语proberen"测试"，V来源于荷兰语verhogen"增加"，P表示通过的意思，V表示释放的意思）

信号量与互斥量之间的区别：

（1）互斥量用于线程的互斥，信号量用于线程的同步。这是互斥量和信号量的根本区别，也就是互斥和同步之间的区别。

互斥：是指某一资源同时只允许一个访问者对其进行访问，具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序，即访问是无序的。

同步：是指在互斥的基础上（大多数情况），通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。

在大多数情况下，同步已经实现了互斥，特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源

（2）互斥量值只能为0/1，信号量值可以为非负整数。

也就是说，一个互斥量只能用于一个资源的互斥访问，它不能实现多个资源的多线程互斥问题。信号量可以实现多个同类资源的多线程互斥和同步。当信号量为单值信号量是，也可以完成一个资源的互斥访问。

（3）互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用，信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到。

 

6.共享内存

一般情况下，每个进程拥有自己的独立内存，系统加载一个进程的时候，分配给进程的内存并不是实际物理内部地址，而是虚拟内存空间，那么我们可以让两个进程各自拿出一块虚拟地址空间来，然后映射到相同的物理内存中，这就实现了内存共享。多个进程可以可以直接读写同一块内存空间，并不需要通过系统调用或者其它需要切入内核的过程来完成，且不需要进行额外的数据拷贝。提升了很高效率

由于多个进程共享一段内存，但本身没有同步机制，因此需要依靠某种同步机制（如信号量）来达到进程间的同步及互斥。

mmap原理

Linux 有一个系统调用叫 mmap()，这个 mmap() 可以把一个文件映射到进程的地址空间（进程使用的虚拟内存），这样进程就可以通过读写这个进程地址空间来读写这个文件。

你可能会觉得奇怪，我明明写的是内存啊，怎么会变成写文件了呢？他们之间是怎么转化的呢？

没错，你写的确实是内存，但是你写的这个内存不是普通的内存，你写在这个内存上的内容，过段时间后会被内核写到这个文件上面。而写文件，其实最后都会变成写数据到设备里（硬盘、Nand Flash 等）。

mmap的优点主要在为用户程序随机的访问,操作文件提供了一个方便的操作方法；其次就是为不同进程共享大批量数据提供高效的手段；另外就是对特大文件（无法一次性读入内存）的处理提供了一种有效的方法。

内存映射优势

1.如果不使用内存映射文件的处理流程是怎样的，读取时首先将文件内容从磁盘拷贝到内核空间的一个缓冲区，然后再将这些数据拷贝到用户空间，实际上是两次数据拷贝。之后的回写也一样也要经过两次数据拷贝。所以会有四次数据的拷贝，因为大文件数据量很大，几十GB甚至更大，所以拷贝的开销是非常大的。

而内存映射文件是操作系统的提供的一种机制，可以减少这种不必要的数据拷贝，从而提高效率。它由mmap()将文件直接映射到用户空间，mmap()并没有进行数据拷贝，真正的数据拷贝是在缺页中断处理时进行的，由于mmap()将文件直接映射到用户空间，所以中断处理函数根据这个映射关系，直接将文件从硬盘拷贝到用户空间，所以只进行了一次数据拷贝 ，比read进行两次数据拷贝要好上一倍，因此，内存映射的效率要比read/write效率高。

7.socket

套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器（即要进行通信的进程）系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。也就是说它可以让不在同一台计算机但通过网络连接计算机上的进程进行通信。

 

套接字是支持TCP/IP的网络通信的基本操作单元，可以看做是不同主机之间的进程进行双向通信的端点，简单的说就是通信的两方的一种约定，用套接字中的相关函数来完成通信过程。